图像识别的割草机保护架设计
摘 要摘 要割草机在树下割草作业时，树枝的高度有时会低于割草机翻滚保护装置（Roll Over Protective Structure,简称ROPS）的高度，而目前零转弯半径割草机配备的都是手动折叠式ROPS，不能在与硬树枝碰撞之前完成折叠，因此发生干涉现象导致连续翻滚的发生。本设计的目的是设计出一种自动折叠式的ROPS，能根据图像识别技术自动识别坚硬树杈和柔软树枝从而控制ROPS在与硬树枝发生碰撞之前完成折叠，给割草机作业人员更好的安全保障。具体内容包括数据采集部分；ROPS机械部分；控制部分。 数据采集部分主要运用图像识别技术，通过对摄像机采集的原始图像进行灰度变换，自适应二值化，腐蚀处理，中值滤波处理达到识别软、硬树枝的目的。ROPS机械部分主要运用步进电机通过减速器带动ROPS（上）绕轴承转动达到折叠目的。并建立了三维模型进行了动态仿真。控制部分主要运用三菱FX2N系列PLC通过控制高速输出信号来控制步进电机运行和运行角度。关键词：割草机；ROPS；图像识别；PLC 目 录
第一章 绪论 1
1.1 设计的研究背景 1
1.2 ROPS国内外研究现状 2
1.2.1 ROPS国外研究现状 2
1.2.2 ROPS国内研究现状 2
1.3 设计的研究方法与内容 3
1.3.1 设计的研究方法 3
1.3.2 设计的研究内容 3
1.4 设计的研究意义及应用前景 3
1.5 本章小节 4
第二章 数据的采集和处理 5
2.1 数据采集系统的硬件部分 5
2.1.1 摄像机的选择和安装位置 5
2.1.2 图像采集卡的选择 6
2.1.3 计算机的选择 6
2.2 数据采集系统的软件部分 6
2.3 相关图像处理技术理论 7
2.3.1 灰度化 7
2.3.2 图像去噪 8
2.3.3 形态学处理 8
2.4 树枝的分辨 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2.1.2 图像采集卡的选择 6
2.1.3 计算机的选择 6
2.2 数据采集系统的软件部分 6
2.3 相关图像处理技术理论 7
2.3.1 灰度化 7
2.3.2 图像去噪 8
2.3.3 形态学处理 8
2.4 树枝的分辨 8
2.4.1 图像采集 8
2.4.2 采集图像中树枝的提取 8
2.4.3 图像的灰度变换 9
2.4.4 自适应二值化 10
2.4.5 图像的腐蚀处理 11
2.4.6 图像的中值滤波处理 11
2.4.7 树枝轮廓的提取及去除细小硬树枝 12
2.5 检测树枝的高度和距离 12
2.6 本章小节 13
第三章 割草机ROPS的设计 14
3.1 割草机ROPS的设计要求 14
3.2 割草机保护架的设计方案的选择 15
3.2.1 软件的介绍 15
3.2.2 折叠机构的介绍和选择 15
3.2.3 割草机保护架的外型设计 15
3.3 ROPS驱动结构的选择 16
3.3.1 交流伺服电机和步进电机的性能比较 17
3.3.2步进电机的选择 17
3.3.3 步进电机驱动器的选择 17
3.3.4 行星减速器的选择 18
3.4 割草机保护架的最终设计 18
3.5 驱动装置所需输出转矩的计算 19
3.6 割草机保护架运动仿真 20
3.7 本章小节 21
第四章 割草机保护架PLC控制系统的设计 22
4.1 PLC简介 22
4.2 PLC的工作原理和选择 22
4.2.1 PLC工作过程 22
4.2.2 PLC的选择 23
4.3 程序设计的基本思路 24
4.3.1 步进电机的控制要求 24
4.3.2 控制程序框图 25
4.4 梯形图程序设计 25
4.4.1 输入/输出编址 26
4.4.2 梯形程序图 26
4.5 本章小节 28
第五章 结论与展望 29
5.1 主要工作与成果 29
5.2 本论文的创新点 29
5.3 研究展望 29
致 谢 31
参 考 文 献 32
绪论
1.1 设计的研究背景
随着我国城市绿化面积的增加和草皮品种的丰富，草坪业的迅速发展迎来了对草坪割草机的大量需求，零转弯半径割草机也越来越多的出现的城市大型草坪。由于零转弯半径割草机其效率高，伤苗率低，除草清洁率高等优点成为了现在草坪维护必不可少的工具之一，在城市草坪、足球场、高尔夫球场的大片草地区域场地得到广泛使用。零转弯割草机的工作性质需要经常在树下割草作业，如图11所示。
图11 割草机树下割草作业
在零转弯半径割草机作业过程中由于割草机分辨不出坚硬树枝和软树枝割草机ROPS常常与硬树枝发生干涉，导致连续翻滚的发生，严重危险作业人员的生命安全。所以当零转弯半径割草机在树下作业时，如何保证割草机ROPS与坚硬树杈不发生干涉是国内外割草机制造企业亟待解决的问题。
现阶段由于人们对安全意识的提高，如何在割草作业过程中更有效的保证作业人员的安全问题成了国内外割草机制造企业的重点。目前市场上割草机ROPS都是采用手动折叠式，而手动折叠式ROPS并不能解决零转弯半径割草机在树下作业与硬树枝发生干涉的问题。设计一款能解决这一问题的割草机ROPS对割草机作业人员的安全保障意义重大，同时也能促进我国对安全保护结构的发展和产业升级。本文就是通过设计一款利用图像识别的自动折叠ROPS折叠机构来解决零转弯半径割草机在树下作业容易与树杈发生干涉的问题。
1.2 ROPS国内外研究现状
1.2.1 ROPS国外研究现状
翻滚保护装置最早出现在20世纪60年代，美国工程与工业机械技术协会（CIMTC）在1967年11月提出在容易翻车的矿用自卸车上安装保护装置。1969年7月，CIMTC正式把发生翻车事故中用于保护司机的保护装置命名为ROPS[1]。1975年,美国工程车辆工程师协会(SAE)根据CIMTC提出的ROPS检测方法,制定出SAE J1040[2]和SAE J1043。国际标准化组织运用上面两种标准制定了ISO 3164:1979《土方机械翻车和落物保护结构实验室鉴定一烧曲极限量的规定》和ISO 3449:1980《土方机械落物保护结构实验室试验和性能要求》[34]。
从1977年开始,许多知名的国际工程机械公司正式在其产品上安装各种不同类型的ROPS。美国的CAT公司曾对整机质量为20t的960轮式装载机ROPS&FOPS做破坏性试验。日本的稻田科技公司曾对D60推土机的落物与翻滚保护结
第一章 绪论 1
1.1 设计的研究背景 1
1.2 ROPS国内外研究现状 2
1.2.1 ROPS国外研究现状 2
1.2.2 ROPS国内研究现状 2
1.3 设计的研究方法与内容 3
1.3.1 设计的研究方法 3
1.3.2 设计的研究内容 3
1.4 设计的研究意义及应用前景 3
1.5 本章小节 4
第二章 数据的采集和处理 5
2.1 数据采集系统的硬件部分 5
2.1.1 摄像机的选择和安装位置 5
2.1.2 图像采集卡的选择 6
2.1.3 计算机的选择 6
2.2 数据采集系统的软件部分 6
2.3 相关图像处理技术理论 7
2.3.1 灰度化 7
2.3.2 图像去噪 8
2.3.3 形态学处理 8
2.4 树枝的分辨 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2.1.2 图像采集卡的选择 6
2.1.3 计算机的选择 6
2.2 数据采集系统的软件部分 6
2.3 相关图像处理技术理论 7
2.3.1 灰度化 7
2.3.2 图像去噪 8
2.3.3 形态学处理 8
2.4 树枝的分辨 8
2.4.1 图像采集 8
2.4.2 采集图像中树枝的提取 8
2.4.3 图像的灰度变换 9
2.4.4 自适应二值化 10
2.4.5 图像的腐蚀处理 11
2.4.6 图像的中值滤波处理 11
2.4.7 树枝轮廓的提取及去除细小硬树枝 12
2.5 检测树枝的高度和距离 12
2.6 本章小节 13
第三章 割草机ROPS的设计 14
3.1 割草机ROPS的设计要求 14
3.2 割草机保护架的设计方案的选择 15
3.2.1 软件的介绍 15
3.2.2 折叠机构的介绍和选择 15
3.2.3 割草机保护架的外型设计 15
3.3 ROPS驱动结构的选择 16
3.3.1 交流伺服电机和步进电机的性能比较 17
3.3.2步进电机的选择 17
3.3.3 步进电机驱动器的选择 17
3.3.4 行星减速器的选择 18
3.4 割草机保护架的最终设计 18
3.5 驱动装置所需输出转矩的计算 19
3.6 割草机保护架运动仿真 20
3.7 本章小节 21
第四章 割草机保护架PLC控制系统的设计 22
4.1 PLC简介 22
4.2 PLC的工作原理和选择 22
4.2.1 PLC工作过程 22
4.2.2 PLC的选择 23
4.3 程序设计的基本思路 24
4.3.1 步进电机的控制要求 24
4.3.2 控制程序框图 25
4.4 梯形图程序设计 25
4.4.1 输入/输出编址 26
4.4.2 梯形程序图 26
4.5 本章小节 28
第五章 结论与展望 29
5.1 主要工作与成果 29
5.2 本论文的创新点 29
5.3 研究展望 29
致 谢 31
参 考 文 献 32
绪论
1.1 设计的研究背景
随着我国城市绿化面积的增加和草皮品种的丰富，草坪业的迅速发展迎来了对草坪割草机的大量需求，零转弯半径割草机也越来越多的出现的城市大型草坪。由于零转弯半径割草机其效率高，伤苗率低，除草清洁率高等优点成为了现在草坪维护必不可少的工具之一，在城市草坪、足球场、高尔夫球场的大片草地区域场地得到广泛使用。零转弯割草机的工作性质需要经常在树下割草作业，如图11所示。
图11 割草机树下割草作业
在零转弯半径割草机作业过程中由于割草机分辨不出坚硬树枝和软树枝割草机ROPS常常与硬树枝发生干涉，导致连续翻滚的发生，严重危险作业人员的生命安全。所以当零转弯半径割草机在树下作业时，如何保证割草机ROPS与坚硬树杈不发生干涉是国内外割草机制造企业亟待解决的问题。
现阶段由于人们对安全意识的提高，如何在割草作业过程中更有效的保证作业人员的安全问题成了国内外割草机制造企业的重点。目前市场上割草机ROPS都是采用手动折叠式，而手动折叠式ROPS并不能解决零转弯半径割草机在树下作业与硬树枝发生干涉的问题。设计一款能解决这一问题的割草机ROPS对割草机作业人员的安全保障意义重大，同时也能促进我国对安全保护结构的发展和产业升级。本文就是通过设计一款利用图像识别的自动折叠ROPS折叠机构来解决零转弯半径割草机在树下作业容易与树杈发生干涉的问题。
1.2 ROPS国内外研究现状
1.2.1 ROPS国外研究现状
翻滚保护装置最早出现在20世纪60年代，美国工程与工业机械技术协会（CIMTC）在1967年11月提出在容易翻车的矿用自卸车上安装保护装置。1969年7月，CIMTC正式把发生翻车事故中用于保护司机的保护装置命名为ROPS[1]。1975年,美国工程车辆工程师协会(SAE)根据CIMTC提出的ROPS检测方法,制定出SAE J1040[2]和SAE J1043。国际标准化组织运用上面两种标准制定了ISO 3164:1979《土方机械翻车和落物保护结构实验室鉴定一烧曲极限量的规定》和ISO 3449:1980《土方机械落物保护结构实验室试验和性能要求》[34]。
从1977年开始,许多知名的国际工程机械公司正式在其产品上安装各种不同类型的ROPS。美国的CAT公司曾对整机质量为20t的960轮式装载机ROPS&FOPS做破坏性试验。日本的稻田科技公司曾对D60推土机的落物与翻滚保护结
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